Вчені створили перші 3D-моделювання в реальному часі того, як лазери змінюють квантовий вакуум. Використовуючи передове обчислювальне моделювання, вчені з Оксфордського університету у співпраці з Інститутом вищих технологій Лісабонського університету успішно створили перші тривимірні симуляції в реальному часі, що показують, як потужні лазерні промені можуть змінювати «квантовий вакуум». Колись вважався абсолютно порожнім, але тепер, згідно з квантовою фізикою, цей вакуум заповнений швидкоплинними парами віртуальних електронів і позитронів. Моделювання команди яскраво фіксують дивний і давно теоретично обговорюваний ефект у квантовій фізиці, який називається вакуумним чотирихвильовим змішуванням. Згідно з цим явищем, коли три лазерні імпульси точно сфокусовані, їхні об’єднані електромагнітні поля можуть поляризувати віртуальні частинки у вакуумі. Ця взаємодія змушує фотони розсіюватися один від одного, як більярдні кулі, що призводить до створення четвертого променя світла в тому, що дослідники називають процесом «світла з темряви». Ці змодельовані події можуть забезпечити новий спосіб дослідження неперевірених областей фізики на надзвичайно високих рівнях енергії. «Це не просто академічна цікавість — це важливий крок до експериментального підтвердження квантових ефектів, які досі були здебільшого теоретичними», — сказав співавтор дослідження, професор Пітер Норрейс з кафедри фізики Оксфордського університету. Нова ера надінтенсивних лазерів Робота з’являється якраз вчасно, коли нове покоління надпотужних лазерів починає вводитися в експлуатацію. Такі установки, як британський Vulcan 20-20, європейський проект «Інфраструктура екстремального світла (ELI)» та китайські установки «Станція екстремального світла» (SEL) і SHINE, готові забезпечити рівні потужності, достатньо високі, щоб потенційно вперше підтвердити розсіювання фотонів на фотонах у лабораторії. Розсіювання фотонів на фотонах вже обрано одним із трьох флагманських експериментів на двопроменевій лазерній установці OPAL потужністю 25 ПВт Рочестерського університету в Сполучених Штатах. Моделювання проводилося за допомогою вдосконаленої версії OSIRIS, пакету програмного забезпечення для моделювання, який моделює взаємодію між лазерними променями та матерією або плазмою. Провідний автор дослідження, докторантка фізичного факультету Оксфордського університету, Цзісінь (Лілі) Чжан, сказала: «Наша комп’ютерна програма надає нам тривимірне вікно з роздільною здатністю в часі у квантові вакуумні взаємодії, які раніше були недоступні. Застосувавши нашу модель до експерименту з розсіюванням трьох променів, ми змогли охопити повний спектр квантових сигнатур, а також детально ознайомитися з областю взаємодії та ключовими часовими масштабами. Ретельно протестувавши симуляцію, ми тепер можемо звернути нашу увагу на складніші та дослідницькі сценарії, включаючи екзотичні структури лазерного променя та імпульси з летючим фокусом». Від теорії до експерименту Найголовніше, що ці моделі надають деталі, на які експериментатори покладаються для розробки точних реальних тестів, включаючи реалістичні форми лазерів та час імпульсів. Моделювання також розкриває нові можливості, зокрема те, як ці взаємодії розвиваються в режимі реального часу та як тонкі асиметрії в геометрії променя можуть змінити результат. За словами команди, інструмент не лише допоможе в плануванні майбутніх експериментів з високоенергетичними лазерами, але й може допомогти в пошуку ознак гіпотетичних частинок, таких як аксіони та мілізаряджені частинки — потенційних кандидатів на темну матерію. Співавтор дослідження, професор Луїс Сілва (з Інституту вищого технічного інституту Лісабонського університету та запрошений професор фізики в Оксфордському університеті) додав: «Широкий спектр запланованих експериментів на найсучасніших лазерних установках буде значною мірою сприяний нашим новим обчислювальним методом, реалізованим в OSIRIS. Поєднання надінтенсивних лазерів, найсучаснішого детектування, передового аналітичного та числового моделювання є основою нової ери у взаємодії лазера з речовиною, яка відкриє нові горизонти для фундаментальної фізики».